用于脊髓损伤修复的3D打印仿生支架

作者：郝志岩、王玲

美国有超过50万人患有脊髓损伤，3D打印植入物有助于恢复脊髓损伤患者的神经连接和运动功能。传统生物组织3D打印的方法不能很好地构建复杂的3D微结构，而这些微结构对于诱导细胞生长和促进组织成熟至关重要。由加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师和神经科学家开发的植入物，可诱导新的神经细胞在脊髓创伤断面部位定向生长。他们使用微尺度连续投影打印方法（μCPP）来制造复杂的中枢神经系统结构，μCPP可以在1.6秒内打印适合啮齿动物脊髓尺寸的3D仿生水凝胶支架（2mm），并且可以扩展到人类脊髓大小和病变几何形状，如图1。

图1 3D打印仿生脊髓结构

研究人员用神经干细胞填充植入物，植入物含有数十个200微米宽的通道（人类头发宽度的两倍），可诱导神经干细胞和轴突沿着脊髓损伤的方向生长。然后将它们像拼图一样装入脊髓损伤部位。它将脊髓损伤一端的再生轴突与另一端对齐，轴突本身可以向任何方向扩散和再生，但是支架使轴突保持整齐，诱导它们朝正确的方向生长以完成脊髓连接。

研究人员将装有神经干细胞的2mm脊髓支架种植到到大鼠严重脊髓损伤部位。几个月后，新的脊髓组织在损伤后完全再生，并连接大鼠脊髓损伤的神经末端，经修复手术的大鼠后腿运动功能显著恢复，如图2。

图2 3D打印仿生脊髓支架体内性能实验（4周）

血管化是组织工程植入物长期存在于体内的主要障碍之一，经过手术的大鼠脊髓支架内部可形成循环系统和功能性的血管网络，这有助于神经干细胞存活，通过脉管系统能获得足够的营养并排出废物。

这项技术可扩展至人脊髓尺寸，作为概念验证，研究人员打印了4cm大小的脊髓支架，这些脊髓支架是根据实际人体脊髓损伤的MRI扫描建模的，并可以在10分钟内打印出来。研究人员的下一步是将蛋白质掺入支架中，这将有助于在植入支架后保持干细胞存活。他们希望尽快对患有脊髓损伤的人类患者进行临床试验。

参考文献：
Koffler J, Zhu W, Qu X, et al. Biomimetic 3D-printed scaffolds for spinal cord injury repair[J]. Nature medicine, 2019: 1.

作者：郝志岩、王玲
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室